碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉擠工藝數(shù)值模擬與優(yōu)化.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）屬先進(jìn)復(fù)合材料（ACM）。拉擠工藝是復(fù)合材料的重要成型工藝之一，具有可生產(chǎn)任意長(zhǎng)度的異型截面制品，工藝過(guò)程連續(xù)，生產(chǎn)率和原料利用率高等特點(diǎn)。其制品具有縱向比強(qiáng)度比模量數(shù)倍于鋼的優(yōu)異性能，在石油、航天、建筑、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前工業(yè)拉擠成型工藝參數(shù)（模具加熱溫度、拉擠速度等）是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或“試湊性試驗(yàn)”確定的，周期長(zhǎng)，耗時(shí)費(fèi)力且科學(xué)性不足，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、生產(chǎn)率和能耗都不盡理想。因此，本文對(duì)C

2、FRP拉擠成型工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬、優(yōu)化和試驗(yàn)研究。
　　在拉擠成型過(guò)程中，復(fù)合材料相對(duì)于模具始終呈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這是有別于其它成型工藝的獨(dú)具特點(diǎn)。根據(jù)熱傳導(dǎo)和聚合物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理建立了帶內(nèi)熱源的二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)與樹(shù)脂固化動(dòng)力學(xué)模型。其中溫度與固化度是一對(duì)強(qiáng)耦合關(guān)系，求解困難。通過(guò)差示掃描量熱（DSC）試驗(yàn)，回歸分析計(jì)算出環(huán)氧樹(shù)脂基體的固化動(dòng)力學(xué)參數(shù)。應(yīng)用有限元與有限差分法相結(jié)合，在空間上有限單元化，在時(shí)間域上有限差分，并用ANSYS

3、求解耦合場(chǎng)的間接解耦法編制程序，模擬得到不同工況復(fù)合材料內(nèi)部溫度與固化度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)狀況，為拉擠工藝優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　為了驗(yàn)證數(shù)值模擬程序的可靠性，分別對(duì)拉擠過(guò)程中復(fù)合材料內(nèi)動(dòng)態(tài)溫度和固化度進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)。專門設(shè)計(jì)制備一種金屬毛細(xì)管封裝的光纖布拉格光柵傳感器，并對(duì)其溫度傳感特性表征和靈敏度系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)標(biāo)定，有效屏蔽了拉擠過(guò)程中牽引荷載效應(yīng)和樹(shù)脂固化收縮應(yīng)變的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)CFRP拉擠工藝全程溫度的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基

4、本一致。在固化度方面，采用索氏萃取法對(duì)剛出模具的拉擠制品進(jìn)行固化度檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬程序的可靠性。
　　應(yīng)用所編制的并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值模擬程序，模擬出大量樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到了不同工況拉擠工藝參數(shù)（模具加熱溫度、拉擠速度）與產(chǎn)品質(zhì)量（復(fù)合材料固化度）間可供計(jì)算的映射關(guān)系。不僅大大減少了耗時(shí)費(fèi)力的試驗(yàn)，且為工藝參數(shù)的優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。
　　應(yīng)用國(guó)際新近出現(xiàn)的第二代非支配排序遺傳算法